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        基于ABAQUS的輪胎滑水仿真分析

        2017-07-23 01:38:56應(yīng)蓮花葛華輝董玉德
        輪胎工業(yè) 2017年10期
        關(guān)鍵詞:滑水花紋溝槽

        應(yīng)蓮花,劉 松,葛華輝,董玉德

        (合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

        近年來,汽車正在從奢侈品向生活必需品轉(zhuǎn)變,汽車需求量也在快速增長,汽車工業(yè)已經(jīng)成為推動我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要行業(yè),輪胎行業(yè)也隨著汽車工業(yè)的發(fā)展得到了快速增長。輪胎作為汽車的重要零部件之一,人們越來越重視輪胎在汽車性能優(yōu)化中所起的作用。輪胎的安全性能分析在輪胎研究中尤為重要,近年來,許多學(xué)者在這一領(lǐng)域不斷努力開拓,取得巨大進(jìn)展[1]。

        輪胎與地面接觸使得汽車能在道路上安全行駛,當(dāng)輪胎與地面分離時,車輛就會喪失操控性和制動性,從而導(dǎo)致車禍的發(fā)生。下雨天開車時,路面上留有積水,且隨著車速的不斷提高,水不能及時被排出,輪胎胎面與路面之間將會形成水膜,此時動壓力與輪胎的載荷相平衡,輪胎將會漂浮在水膜上,與地面處于不接觸狀態(tài),從而導(dǎo)致汽車的制動性能完全喪失,這種現(xiàn)象被稱之為輪胎滑水現(xiàn)象[2]。

        輪胎花紋可以提高輪胎在濕滑路面上行駛的安全性,水主要向兩側(cè)排出,因此為了向兩側(cè)短距離排水并因此提高輪胎的臨界滑水速度,需要有短橫向溝的縱向花紋。本研究通過ABAQUS CEL方法建立具有12種不同花紋的輪胎有限元模型,并進(jìn)行輪胎滑水仿真分析,比較不同花紋對輪胎滑水性能的影響。

        1 輪胎滑水仿真模型的建立

        輪胎滑水三區(qū)域如圖1所示[3],在c區(qū)域,輪胎與路面完全接觸,水能夠順暢地通過輪胎排走,輪胎與地面正常摩擦。在b區(qū)域,有大量水通過輪胎兩側(cè)流散,但仍有一部分水膜留在輪胎上面,此時輪胎與路面處于不完全接觸狀態(tài)。在a區(qū)域,水流散不開,完全覆蓋在輪胎上面,其動壓力將汽車完全托起來,輪胎離開地面并與地面完全不接觸。

        圖1 輪胎滑水三區(qū)域示意

        1.1 輪胎模型

        輪胎滑水仿真模型主要包括四部分:輪胎模型、路面模型、空氣模型和水模型[4]。輪胎的三維模型在SolidWorks中建立,共12種,分別為4種不同的橫溝花紋(圓周分布50個橫溝的彎折橫溝花紋和直橫溝花紋、圓周分布25個橫溝的彎折橫溝花紋和斜花紋,編號為a1—a4)、4種不同的縱溝花紋(縱向3條無彎折溝槽花紋、縱向3條有彎折溝槽花紋、縱向5條無彎折溝槽花紋和縱向3條無彎折階梯花紋,編號為b1—b4)以及4種不同的混合花紋(無彎折縱橫不連接50條橫溝、有彎折縱橫不連接50條橫溝、無彎折縱橫連接25條斜橫溝以及無彎折縱橫連接50條橫溝,編號為c1—c4)。每組4種不同花紋的總溝槽體積大致相同,選用輪胎規(guī)格為195/60R14,施加載荷3430 N,如圖2—4所示。然后將這些三維模型導(dǎo)入ABAQUS軟件中生成有限元模型。

        圖2 4種橫溝花紋輪胎

        圖3 4種縱溝花紋輪胎

        圖4 4種混合花紋輪胎

        1.2 濕滑路面有限元模型

        本研究所用模型為“輪胎滾動模型”,即輪胎在很長的濕滑路面上既滾動也平動,而水在整個路面上覆蓋著,水流和路面都保持不變。這種模型更符合實際情況[5],能夠反映輪胎在濕滑路面上的滾動和滑動情況,并且能夠反映輪胎在濕滑路面上滾動后留下的痕跡,適于輪胎滾動仿真及輪胎滾動后留下痕跡的研究[6]。

        建立1條長2000 mm、寬300 mm的剛性路面,在路面上覆蓋長、寬與路面相同,厚度為10 mm的水膜層,由于水流只能在空氣層所包含區(qū)域內(nèi)流動,因此同時在水膜層上定義1層厚度為50 mm的空氣層以利于輪胎排水時有足夠的散射空間[7]。進(jìn)行網(wǎng)格劃分后得到濕滑路面的有限元模型,如圖5所示。

        圖5 濕滑路面滑水仿真模型

        2 結(jié)果與討論

        本次仿真分析中,輪胎的平動速度都是從16 m·s-1提高到33 m·s-1,滾動速度則從54 rad·s-1變化到111 rad·s-1。

        2.1 4種橫溝花紋輪胎

        4種橫溝花紋輪胎的滑水痕跡對比如圖6所示,Z向位移-速度曲線對比如圖7所示。

        圖6 4種橫溝花紋輪胎滑水痕跡對比

        從圖7可以看出,斜花紋的滑水性能最好,因為其具有導(dǎo)水性能,可以將前方的積水導(dǎo)至后方,次之為圓周分布25個橫溝的彎折橫溝花紋,再次之為圓周分布50個橫溝的彎折橫溝花紋。對比可知,在溝槽總體積相同的情況下,減小橫向花紋溝數(shù)量、增大單個花紋溝體積可以優(yōu)化輪胎的滑水性能?;阅茏畈畹氖菬o彎折圓周分布50個橫溝的橫溝花紋,原因是其花紋溝的總體積最小??梢娫谶M(jìn)行輪胎設(shè)計時,可以采用帶有傾斜的橫向溝槽花紋,并且在溝槽總體積相同的情況下,減小花紋溝數(shù)量,增大單個花紋溝體積,以優(yōu)化輪胎的滑水性能。

        圖7 4種橫溝花紋輪胎Z向位移-速度曲線對比

        2.2 4種縱溝花紋輪胎

        4種縱溝花紋輪胎的滑水痕跡對比如圖8所示,Z向位移-速度曲線對比如圖9所示。

        圖8 4種縱溝花紋輪胎滑水痕跡對比

        圖9 4種縱溝花紋輪胎Z向位移-速度曲線對比

        從圖9可以看出,滑水性能最好的是縱向3條無彎折溝槽花紋和縱向3條無彎折階梯花紋,這兩者的差別不大,即階梯的影響不大,次之是縱向5條無彎折溝槽花紋,可見與橫向花紋相同,在溝槽總體積相同的情況下,減小花紋溝數(shù)量、增大單個花紋溝體積可以很好地優(yōu)化輪胎的滑水性能。滑水性能最差的是縱向3條有彎折溝槽花紋,原因是有彎折的3條縱溝花紋對水有很大的阻力。因此對于縱溝花紋的設(shè)計來說,在溝槽總體積相同的情況下,可以減小花紋溝數(shù)量、增大單個花紋溝體積,以優(yōu)化輪胎的滑水性能,并且有無彎折及彎折的大小對縱溝花紋滑水性能有很大的影響。

        2.3 4種混合花紋輪胎

        4種混合花紋輪胎的滑水痕跡對比如圖10所示,Z向位移-速度曲線對比如圖11所示。

        圖10 4種混合花紋輪胎滑水痕跡對比

        圖11 4種混合花紋輪胎Z向位移-速度曲線對比

        從圖11可以看出,無彎折縱橫連接25條斜橫溝花紋排水性能最好,因為在溝槽總體積相同的情況下,其單個花紋溝體積最大,而且具有斜橫向花紋,導(dǎo)水性能很好。無彎折縱橫不連接50條橫溝花紋與無彎折縱橫連接50條橫溝花紋的滑水性能大致相同,無彎折縱橫連接50條橫溝稍好,因此可以考慮使縱橫花紋連接以增強(qiáng)排水性?;阅茏畈畹氖怯袕澱劭v橫不連接50條橫溝花紋,原因是縱向花紋擔(dān)任排水職責(zé),有彎折的縱向花紋對水的阻力很大,因此其滑水性能最差??梢姡谶M(jìn)行混合花紋輪胎設(shè)計時,可以考慮縱溝無彎折,橫溝為斜橫溝,且縱橫相連的花紋。

        3 結(jié)論

        由輪胎滑水仿真結(jié)果可以得出下述結(jié)論。

        (1)在進(jìn)行橫向溝槽胎面花紋輪胎設(shè)計時,采用帶有傾斜的橫向溝槽花紋有利于輪胎排水,并且橫向花紋溝數(shù)量對輪胎滑水性能影響不大,其花紋溝體積對輪胎的滑水性能有顯著影響,增大單個花紋溝體積有利于提升輪胎滑水性能。

        (2)對于縱向溝槽胎面花紋輪胎的設(shè)計來說,本次仿真縱溝條數(shù)越多,滑水性能越好,可見縱溝總體積對輪胎滑水性能有較大影響,并且無彎折花紋溝輪胎比有彎折花紋溝輪胎的滑水性能好。

        (3)在進(jìn)行混合花紋輪胎設(shè)計時,縱溝為無彎折花紋溝,橫溝為斜橫溝,且縱橫相連的花紋對輪胎滑水性能有較為明顯的優(yōu)化作用。

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